褐煤制备煤基固体酸及其催化水解纤维素的研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:aileenliuwei
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纤维素是地球上最丰富,最重要的可再生资源之一。将纤维素有效水解生成葡萄糖,进一步生产燃料乙醇、乙二醇和2,5-二甲基呋喃等重要的化学产品,对缓解能源危机具有十分重要的意义。目前围绕如何有效水解纤维素已经进行了众多研究。传统的酶和酸水解存在的缺点是:产物与催化剂分离困难和污染环境等。正是由于酶和液体酸水解纤维素存在的弊端,使得人们不得不寻求新的更好的方法来水解纤维素。本论文以霍林河褐煤为碳源制备煤基固体酸催化剂(CSA),并将其应用于催化水解纤维素。采用XRD、FT-IR和TG-DTG对煤基固体酸的微晶结构、表面官能团和热稳定性进行表征,同时还采用酸碱滴定法对活性基团进行测定。以还原糖和葡萄糖得率为考察指标,探讨了炭化温度,脱灰和升温速率对煤基固体酸的结构和催化水解纤维素性能的影响。实验结果表明:炭化温度对煤基固体酸的结构及性能具有决定性的影响。随着炭化温度的升高,煤基固体酸表面的三种活性组分密度均逐渐下降,其水解纤维素的催化活性呈现先升高后降低的趋势,CSA-400具有最佳的催化活性。煤基固体酸的吸附性能主要是由其表面的羟基密度决定的,同时受碳片层芳香度及羧基等基团的影响。分析三种活性组分的TOF,当煤基固体酸表面的含氧官能团密度比例在磺酸基:羧基:羟基为1:2.1-2.6:1.8-2.1时,煤基固体酸在水解纤维素过程中表现出较高的活性,水解活性是众多活性基团协同作用的结果。采用HCl-HF的混酸对煤样进行脱灰处理,提高了煤基固体酸催化剂(DCSA)中磺酸基和羧基的密度,增大活性基团与纤维素的有效接触,从而水解纤维素的还原糖得率由40.37%增大至74.08%。煤中灰分的存在影响了磺酸基的附着,实验前最好将煤样中的灰分脱除。慢速升温速率可使煤样在低温区受热时间长,发生平行和顺序的热缩聚反应,形成稳定性好的结构,使DCSA的芳香度增大,稳定性增加。快速升温速率可加剧煤的裂解,使FDCSA表面的官能团种类减少,羧基密度的大幅度降低,导致了FDCSA的亲水性降低,影响了磺酸基和羧基对纤维素的接触,从而降低了FDCSA的催化活性。对比CSA、DCSA和FDCSA三种催化剂在催化水解纤维素的过程中的催化性能,DCSA具有最高的催化活性。
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